張桂花，謝 正

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，湖北 武漢 430205）

N95口罩是后疫情時(shí)代防疫的必備用品，它是通過(guò)口罩機(jī)將多層無(wú)紡布進(jìn)行熱壓、折疊成型、超聲波焊接、廢料切除、耳帶鼻梁條焊接等工序制造而成的。其中齒模是口罩機(jī)的關(guān)鍵零件，主要功能是熔接和印花，將連續(xù)不間斷運(yùn)行的多層無(wú)紡布復(fù)合利用超聲波配合滾焊，并壓出口罩表面紋路，且壓接線壓而不穿，使四層布密實(shí)在一起，并留有薄薄的半透明熔噴布，以保證過(guò)濾性和密封性[1-3]。為保證N95口罩更強(qiáng)的病毒過(guò)濾效果和密封性，口罩機(jī)對(duì)齒模的制造技術(shù)要求極高，滾齒與標(biāo)志的圓跳動(dòng)公差控制在0.005 mm，全曲面跳動(dòng)公差控制在0.01 mm[4]，這無(wú)疑對(duì)齒模的制造工藝提出了更高的要求，同時(shí)這也是造成齒模質(zhì)量不統(tǒng)一、壽命短，制約口罩機(jī)生產(chǎn)效率的主要困擾。現(xiàn)研究應(yīng)用UG12.0對(duì)N95口罩齒模進(jìn)行三維造型，分析齒模的結(jié)構(gòu)特征和加工難點(diǎn)，選用合適的銑削策略，確定優(yōu)質(zhì)高效的工藝方案和生成加工程序，并在四軸數(shù)控加工中心加工驗(yàn)證。

1 齒模工藝分析

1.1 齒模結(jié)構(gòu)特征

圖1所示為N95口罩齒模結(jié)構(gòu)，在直徑φ75.5 mm的旋轉(zhuǎn)體上的兩端對(duì)稱分布有82個(gè)長(zhǎng)為2 mm，寬為1 mm，高為1 mm的滾齒；中間包裹有寬為6 mm，高為1 mm的切割輥輪廓，切割輥輪廓上陣列了118個(gè)長(zhǎng)寬高均為1 mm的滾齒，呈左右對(duì)稱；為保證口罩不易變形，增加美感，中間還對(duì)稱分布有2個(gè)長(zhǎng)為47 mm，寬為2 mm，2個(gè)長(zhǎng)為45 mm，寬為2 mm的表面加強(qiáng)筋，每個(gè)加強(qiáng)筋上均均勻分布有8個(gè)直徑為1 mm，高為1 mm的滾齒；而帶黨徽和數(shù)字1921-2021的標(biāo)志分布在長(zhǎng)57 mm、寬為36 mm、高為1 mm的特征上。旋轉(zhuǎn)體上的滾齒和標(biāo)志用來(lái)壓花成型5層布料，其展開(kāi)圖的形狀控制整個(gè)口罩表面紋路。齒模左邊設(shè)計(jì)有鍵槽，用鍵連接傳動(dòng)齒輪，左右兩端φ30 mm處作用是安裝滾動(dòng)軸承，裝配到壓紋機(jī)構(gòu)上[1]。

1.2 齒模加工難點(diǎn)

齒模材料為45#，加工位置有：外圓面、鍵槽、滾齒、切割棍、表面加強(qiáng)筋、標(biāo)志，整個(gè)齒模為機(jī)加工一體成形，加工難點(diǎn)如下。

（1）齒模結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜，特征與旋轉(zhuǎn)面不垂直，加工區(qū)域多而密，滾齒就有470個(gè)，編程繁瑣，且各滾齒之間間距小，最窄處僅為2.1099 mm，限制了刀具的直徑和切削量，加工時(shí)間長(zhǎng)，工序環(huán)節(jié)多。

（2）滾齒截面尺寸小，精度要求高，尺寸公差控制在0.1 mm，徑向圓跳動(dòng)公差控制在0.005 mm，全曲面跳動(dòng)公差控制在0.01 mm，確保5層布料壓而不穿以保證過(guò)濾性和密封性。

圖1 口罩齒模結(jié)構(gòu)

（3）齒模硬度要求在58~62 HRC，經(jīng)熱處理后硬度高，只能小切削量和小刀具，存在刀具磨損快、效率低等因素，影響生產(chǎn)效益。

（4）與滾動(dòng)軸承配合不僅要求轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、平穩(wěn)，φ30 mm外圓面尺寸要求較高，同時(shí)還得保證兩端同軸度，若同軸度過(guò)大，將導(dǎo)致工作不平穩(wěn)，影響切斷及使用壽命。

2 齒模加工工藝設(shè)計(jì)

分析齒模的結(jié)構(gòu)特征和加工難點(diǎn)，再結(jié)合多軸加工技術(shù)因加工效率高、加工周期短，加工表面質(zhì)量好的優(yōu)勢(shì)大量應(yīng)用在包裹于旋轉(zhuǎn)體上的特征加工，確定如下加工方案。

（1）下料。φ85 mm×210 mm。

（2）數(shù)控車削加工。先加工兩端中心孔，為后續(xù)工序磨削和銑削加工提供裝夾及定位，接著車削齒模外形，單邊留0.1 mm外磨余量。

（3）磨削加工。雙頂尖磨削齒模外形保證各直徑同軸度，精磨外形φ79.5 mm尺寸至圖紙公差范圍，保證圓跳動(dòng)公差控制在0.005 mm公差及全曲面跳動(dòng)公差控制在0.01 mm內(nèi)。

（4）四軸銑削加工。一夾一頂粗銑齒模輪廓，二次粗加工滾齒、標(biāo)志、兩端滾齒與切割輥狹窄處，再半精銑、精銑齒模輪廓、滾齒、標(biāo)志，留0.1 mm的滾齒精修余量。

（5）熱處理。保證材料硬度達(dá)到58~62 HRC。

（6）磨削加工。雙頂尖精磨兩軸承位置φ30 mm至尺寸，與軸承相配合用。

（7）四軸銑削加工。精修滾齒至截面尺寸，保證刃口尺寸均勻，控制公差在0.1 mm內(nèi)。

3 基于UG12.0的齒模銑削策略設(shè)計(jì)

齒模加工區(qū)域多而密，小刀具小切削量，加工時(shí)間長(zhǎng)，環(huán)節(jié)多，硬度和精度要求都較高[5]，在旋轉(zhuǎn)軸上選擇合適的四軸銑削策略銑削符合要求的滾齒部分，是破解齒模加工難點(diǎn)的關(guān)鍵。

3.1 基于UG12.0齒模三維建模

N95口罩齒模三維建模的難點(diǎn)仍然是切割輥、表面加強(qiáng)筋、滾齒、標(biāo)志部分，特別是包裹到φ75.5 mm的軸上。

（1）識(shí)讀圖紙，在XY平面內(nèi)繪制封閉截面用旋轉(zhuǎn)的方法生成臺(tái)階軸。

（2）接著YZ平面繪制截面拉伸方軸面，在XZ平面繪制截面拉伸鍵槽。

（3）根據(jù)技術(shù)要求，印花包裹于φ75.5 mm的軸上，通過(guò)φ75.5 mm的象限點(diǎn)創(chuàng)建平行XY平面的基準(zhǔn)面，在基準(zhǔn)面上繪制齒模展開(kāi)圖的圖案，將繪制的圖案拉伸成實(shí)體。其中切割輥上的滾齒采用沿的方式陣列，點(diǎn)選切割輥輪廓定義陣列路徑，設(shè)置數(shù)量和步距即可完成滾齒的創(chuàng)建。

（4）在基準(zhǔn)面上通過(guò)φ75.5 mm的象限點(diǎn)對(duì)稱拉伸一個(gè)平面，平面的長(zhǎng)度是pi*75.5/2。

（5）點(diǎn)選編輯→曲面→整體變形，選擇按曲面方法生成，選擇繪制的實(shí)體面為要變形的幾何體，選擇拉伸平面為基本曲面，選擇φ75.5 mm的軸面為控制曲面并點(diǎn)選法向，確保標(biāo)志部分圖案為反，變形方向選擇垂直于控制對(duì)象，即將切割輥、表面加強(qiáng)筋、滾齒和標(biāo)志部分包裹到φ75.5 mm的軸上，如圖2所示。

圖2 齒模的切割輥、表面加強(qiáng)筋、滾齒和標(biāo)志部分整體變形

3.2 加工內(nèi)容分析

通過(guò)分析齒模各部分功能及加工要求可知，齒模分為齒模輪廓、切割輥輪廓、切割輥狹窄處、切割輥輪廓與右端滾齒狹窄處、切割輥上滾齒、表面加強(qiáng)筋輪廓、表面加強(qiáng)筋上滾齒、標(biāo)志、兩端滾齒進(jìn)行加工，如圖3所示。

圖3 齒模加工區(qū)域

3.3 選擇工裝夾具

為了減少裝夾誤差，盡可能在一次裝夾中加工到位，考慮到毛坯尺寸和兩軸承位置的同軸度和φ79.5 mm軸的圓跳動(dòng)和全曲面公差，選用一夾一頂?shù)某Ｒ?guī)裝夾方法，如圖4所示。工件裝夾前需找正回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心及校正尾座的直線度，使尾座的中心頂尖與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的中心線在同一高度[4]，再打表找正毛坯。

圖4 齒模工裝夾具

3.4 刀具選擇分析

通過(guò)分析零件圖紙，齒模加工區(qū)域多，滾齒多而密，且滾齒之間間距小，粗加工綜合考慮高效原則和殘余余量的均勻，選擇d6的立銑刀，通過(guò)測(cè)量齒模三維模型，切割輥輪廓與右端滾齒狹窄處間距為3.3 mm，選擇d2立銑刀對(duì)切割輥狹窄處及切割輥輪廓與右端滾齒狹窄處進(jìn)行二次粗加工，再通過(guò)測(cè)量滾齒之間的間距最窄處為2.1099 mm，選擇d1的立銑刀對(duì)滾齒進(jìn)行二次粗加工；精加工考慮優(yōu)質(zhì)原則，齒模輪廓根據(jù)最小曲率半徑選擇d4的立銑刀，切割輥輪廓根據(jù)與右端滾齒狹窄處間距選擇d2的立銑刀，切割輥上和兩端滾齒選擇d1的立銑刀，表面加強(qiáng)筋上滾齒和標(biāo)志選擇d1的立銑刀。

3.5 粗銑策略選擇分析

（1）齒模輪廓粗銑策略。楊偉民[5]研究表明，齒模粗加工常采用層降加工，即每加工完一個(gè)切削深度，再繼續(xù)下刀加工下一層深度。選擇UG12.0中mill_multi-axis的多軸粗加工策略，設(shè)置刀具和切削參數(shù)，點(diǎn)選齒模輪廓（即φ75.5 mm的外圓面）指定驅(qū)動(dòng)底面，深度模式選擇從底面偏置，切削類型選擇跟隨部件，切削模式選擇往復(fù)，生成刀軌，如圖5所示。

圖5 齒模粗銑刀軌

由于所選刀具無(wú)法在切割輥狹窄處、切割輥輪廓與右端滾齒狹窄處進(jìn)刀，殘留余量較多，需要進(jìn)行二次粗加工，用同樣的方法選擇多軸粗加工策略，更改刀具，創(chuàng)建和點(diǎn)選如圖6所示封閉輪廓線指定空間范圍環(huán)即可生成刀軌。

圖6 切割輥狹窄處、切割輥輪廓與右端滾齒狹窄處粗銑刀軌

（2）切割輥上、表面加強(qiáng)筋上滾齒和標(biāo)志粗銑策略。由于d2的立銑刀也沒(méi)法在滾齒之間進(jìn)刀，需要用d1的立銑刀進(jìn)行二次開(kāi)粗，用同樣的方法選擇多軸粗加工策略，點(diǎn)選切割輥上表面指定驅(qū)動(dòng)表面，點(diǎn)選切割輥輪廓指定空間范圍環(huán)，即可生成切割輥上滾齒粗銑刀軌，同理生成表面加強(qiáng)筋上滾齒及標(biāo)志的粗銑刀軌，如圖7所示。

圖7 切割輥上、表面加強(qiáng)筋上滾齒和標(biāo)志粗銑刀軌

（3）兩端滾齒粗銑策略。選用mill_multi-axis的外形輪廓銑策略，點(diǎn)選滾齒底面為指定底面，勾選自動(dòng)璧，設(shè)置多重深度，生成刀軌；再點(diǎn)選刀軌進(jìn)行變換，選擇繞直線旋轉(zhuǎn)，定義過(guò)滾齒圓心的Y軸為參考直線，設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度360°/82，復(fù)制82個(gè)，即生成一段滾齒的刀軌；接著點(diǎn)選復(fù)制后的刀軌進(jìn)行平移變換，輸入兩端滾齒的間距即可生成另一端滾齒刀軌，如圖8所示。

圖8 兩端滾齒粗銑刀軌

半精銑策略于粗加工策略一致，只是底面余量設(shè)置不同，為精銑留均勻余量。

3.6 精銑策略選擇分析

（1）齒模輪廓精銑策略。精銑策略與粗銑、半精銑策略一致，只是切削刀具不同，切削參數(shù)不同，底面余量為0，部件余量留0.1mm的切割輥輪廓精修余量，切削步距更小，生成的刀軌更密，表面質(zhì)量更高，如圖9所示。

圖9 齒模輪廓精銑刀軌

（2）切割輥輪廓精銑策略。選擇UG12.0中mill_multi-axis的外形輪廓銑策略，設(shè)置刀具和切削參數(shù)，點(diǎn)選齒模輪廓指定底面，勾選自動(dòng)璧，設(shè)置多重深度，生成精銑刀軌，用同樣的方法生成切割輥狹窄處精銑刀軌，如圖10所示。

圖10 切割輥輪廓精銑刀軌

（3）切割輥上、表面加強(qiáng)筋上滾齒和標(biāo)志、兩端滾齒精銑策略。精銑策略與該區(qū)域的粗銑、半精銑策略一致，只是切削參數(shù)不同，底面余量為0，部件余量為0，如圖11所示。

圖11 切割輥上、表面加強(qiáng)筋上滾齒和標(biāo)志、兩端滾齒精銑刀軌

4 齒模銑削策略的驗(yàn)證

選擇VMC850L四軸數(shù)控加工中心試切驗(yàn)證銑削策略，得到的齒模試切件如圖12所示。由此可知，基于UG12.0軟件強(qiáng)大的多軸粗加工策略，避免了低版本UG和同類型軟件需要復(fù)雜的纏繞后處理，編程方法簡(jiǎn)單，刀軌簡(jiǎn)潔可行，無(wú)碰撞和過(guò)切現(xiàn)象，能滿足零件各項(xiàng)技術(shù)要求，解決了齒模滾齒難加工的問(wèn)題。

圖12 齒模試切件

5 結(jié)束語(yǔ)

分析了N95口罩齒模的結(jié)構(gòu)特征和加工難點(diǎn)，各部分功能及加工要求，選用四軸銑削加工方案，運(yùn)用UG12.0軟件分區(qū)域選擇銑削策略，齒模輪廓、切割輥上滾齒、表面加強(qiáng)筋上滾齒、標(biāo)志選用多軸粗加工策略，切割輥輪廓與兩端滾齒選用外形輪廓銑策略，生成的刀軌簡(jiǎn)潔，編程方法簡(jiǎn)單，破解了齒模的加工難點(diǎn)，降低了齒模的編程難度，縮短了加工輔助周期，提高了生產(chǎn)效率，對(duì)同類產(chǎn)品的加工具有指導(dǎo)意義。